Tema 5: Concepto de Temperatura -...

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    Tema 5: Concepto de Tema 5: Concepto de TemperaturaTemperatura

     La La temperaturatemperatura es una de las magnitudes mensurables más importantes es una de las magnitudes mensurables más importantes  Históricamente: pasos para definir una escala de Tª

     GalileoGalileo al reconocer que al reconocer que era una magnitud mesurable (fluía de un (fluía de un cuerpo caliente a uno frío)cuerpo caliente a uno frío)  Gabriel FahrenheitGabriel Fahrenheit (1686(1686--1736) perfecciona el termómetro de 1736) perfecciona el termómetro de mercurio graduándolo con dos puntos fijosmercurio graduándolo con dos puntos fijos

     Temperatura de una mezcla de agua, hielo y cloruro de amonioTemperatura de una mezcla de agua, hielo y cloruro de amonio  La temperatura de la sangre humanaLa temperatura de la sangre humana

     Anders CelsiusAnders Celsius (1742) propuso como referencia(1742) propuso como referencia  Los puntos de fusión y ebullición del aguaLos puntos de fusión y ebullición del agua denominó 100denominó 100ºCºC y 0y 0ºCºC  Estas denominaciones se invirtieron para dar lugar a la actual eEstas denominaciones se invirtieron para dar lugar a la actual escala scala

    Celsius (Denominada así desde 1948)Celsius (Denominada así desde 1948)

     A principios del siglo XIX: A principios del siglo XIX: WiliamWiliam ThomsonThomson desarrolló una escala de desarrolló una escala de temperaturas basada en la temperaturas basada en la TermoDinámicaTermoDinámica (coeficiente de expansión (coeficiente de expansión de los gases ideales)de los gases ideales)

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    Tema 5: Escalas de Tema 5: Escalas de TemperaturaTemperatura  Tª de un objeto: es una medida de su energía

     Propiedad que determina si está en equilibrio térmico con su amPropiedad que determina si está en equilibrio térmico con su ambientebiente  Si transcurre un tiempo necesario el objeto llegará al equilibrSi transcurre un tiempo necesario el objeto llegará al equilibrio térmico io térmico y cesarán las transferencias de calory cesarán las transferencias de calor

     Escalas absolutas de Tª de un objeto: asignando valores numéricos de:  Posición del cero: se asigna T=273.16 K al estado en el que hay equilibrio entre las tres fases s, l, g del agua la energía térmica es nula  Tamaño de la unidad de medición:

     Grado Kelvin (Tª de fusión y ebullición del agua difieren 100 K) Sistema Internacional

     Grado Rankine (Tª de fusión y ebullición del agua difieren 180 R)  T (K)=(100/180) T(R)

    Escalas relativas de Tª de un objeto:  Posición del cero : T(C)=T(K)-273.15 , la cantidad de energía de un grado Celsius y uno Kelvin es la mima También la cantidad de energía de un grado Fahrenheit y Rankine es la misma, pero T(F)=T(R)-459.6  La equivalencia: T(F)=1.8 * T(C)+32

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     La Temperatura no se mide directamenteLa Temperatura no se mide directamente se observan sus efectos:se observan sus efectos:  La expansión de un líquidoLa expansión de un líquido  El cambio en una resistencia, etc.El cambio en una resistencia, etc.

     Sensores de Sensores de TemperaturaTemperatura  Resistivos: (: (ResistanceResistance TemperatureTemperature DetectorsDetectors) ) RTDsRTDs

     Uso muy frecuente: cubren un rango de Uso muy frecuente: cubren un rango de TªTª de de -100 ºC a a + 800ºC, gran gran precisión y repetibilidad: precisión y repetibilidad:  Principalmente de dos tipos:Principalmente de dos tipos:

     RTDs Metálicos ((más precisos y más establesmás precisos y más estables))  RTDsRTDs Semiconductores o Semiconductores o Termistores ((son más baratos y más sensiblesson más baratos y más sensibles))

     Termoeléctricos o termopares: o termopares: Efecto Efecto SeebeckSeebeck, , PeltierPeltier y y ThomsomThomsom ((más versátilesmás versátiles))  Sensores de temperatura Sensores de temperatura basados en dispositivos electrónicos

    integrados diodos (uniones p-n)

     De estos diferentes sensores de temperatura son muy diferentes:De estos diferentes sensores de temperatura son muy diferentes:  El rango de medida, la precisión, la facilidad de uso El rango de medida, la precisión, la facilidad de uso  La mejor elección dependerá de la aplicación y del rango de Tª

    Tema 5: Sensores de Tema 5: Sensores de TemperaturaTemperatura

    Necesario estudiar la linealidad del efecto

    observado

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    Tema 5: Sensores de Tema 5: Sensores de TªTª Resistivos:RTDsResistivos:RTDs

     Sensores de Sensores de Temperatura resistivos: Temperatura resistivos: RTDs metálicos  PRINCIPIO FISICO: los átomos del metal vibran al aumentar la : los átomos del metal vibran al aumentar la TªTª

    aumenta la probabilidad de colisión de los electrones aumenta la probabilidad de colisión de los electrones su su resistencia (al resistencia (al alal paso de corriente eléctrica) aumenta con la paso de corriente eléctrica) aumenta con la TªTª

     Métodos para Métodos para convertir los valores de Resistencia a Tª  Consultando una Consultando una tabla y transformando la correspondiente R y transformando la correspondiente R se utiliza en se utiliza en programas de software no sirve en medidas a tiempo realprogramas de software no sirve en medidas a tiempo real  La utilización de una La utilización de una ecuación polinómica. La dependencia de R con la . La dependencia de R con la TªTª para la mayoría de materiales utilizadospara la mayoría de materiales utilizados

    1. R0 es el valor de resistencia a T=0) 2. El número de variables ai depende del material

    (Coeficientes de Callendar-Van Dusen) 3. Si T aumenta R aumenta

    A lR 

    A A

    l l

    R R 

     

     

     

     

     ... 332210 1 TaTaTaRR +tº

    Símbolo para una R con dependencia intrínseca de Tª y variación lineal

    se considera que las deformaciones longitudinales (l) y de área (A) son despreciables el efecto principal se manifiesta a través de cambios en 

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    Tema 5: Tema 5: RTDsRTDs metálicosmetálicos  Los materiales más utilizadosLos materiales más utilizados requieren al menos requieren al menos aa11, y a, y a22 para para una representación correcta de la resistenciauna representación correcta de la resistencia  El Platino (Pt): El Platino (Pt): a1 =3.90 10-3 K; a2 =-5.83 10-7 K2

    Es el más utilizado (el más lineal): PTD  El Níquel (Ni)El Níquel (Ni)  El Cobre (Cu)El Cobre (Cu)

     La construcción de un RTD metálicoLa construcción de un RTD metálico diferentes técnicas:diferentes técnicas:

     1. 1. La configuración clásica RTD consta de:La configuración clásica RTD consta de:  Un cable de Platino de longitud Un cable de Platino de longitud LL arrollado sobrearrollado sobre  Una bobina de cristal o cerámicaUna bobina de cristal o cerámica

     2. 2. Otra configuración se construye:Otra configuración se construye:  depositando una película conductora sobre un depositando una película conductora sobre un substrato no conductorsubstrato no conductor

     En ambos casos, finalmente se encapsula en En ambos casos, finalmente se encapsula en un material protector y se incluyen los un material protector y se incluyen los conectores para realizar las tomas de conectores para realizar las tomas de temperatura (temperatura (thermocouplethermocouple probesprobes))

    Hasta 650ºC: a1 T> 10 a2 T2

    Keithley.Instruments, 2001

    J. Turner, et al. 1999

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    Tema 5: Tema 5: RTDsRTDs metálicosmetálicos  Las Las limitaciones de los de los RTDs metálicos  No se pueden medir No se pueden medir TªTª próximas ni superiores a la próximas ni superiores a la TªTª de fusión del conductorde fusión del conductor

     Para medir una Para medir una TªTª el sensor debe estar a esa el sensor debe estar a esa TªTª posible posible autocalentamientoautocalentamiento  Es muy importante el coeficiente de disipación de calor: Es muy importante el coeficiente de disipación de calor:  ((mWmW/K)/K)

     La posible La posible presencia de deformaciones mecánicaspresencia de deformaciones mecánicas ( ( galgas extensiometricas)) provocan también un cambio en R provocan también un cambio en R

     Las Las ventajas de los de los RTDs metálicos  La sensibilidad es 10 veces superior a los La sensibilidad es 10 veces superior a los termopares, Alta repetibilidad  Exactitud en el caso del Pt  Bajo coste en el caso del Cu, Ni

    En el rango lineal, la variación de R :

     TaRR 10 1

    0

    0

    TR RR

    R dTdRTRC  / CR

    RRTRC ºº

    ºº º 20

    11 0

     CR

    RRTRC ºº

    ºº º 2100

    99101 100

     

    Para materiales con TRC lineales se define un valor promedio (por ejemplo entre 0º y 100º C)

    Coef. de Tª de la Resistencia (TCR) o sensibilidad relativa

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    Tema 5: Tema 5: RTDsRTDs metálicosmetálicos  Ejemplos de de RTDs metálicos